气压和温度对SF_6气体绝缘性能的影响研究_尹凯强.pdf

年第 期（总第 期）年 月电瓷避雷器 （）收稿日期：基金项目：国家自然科学基金项目（编号：）；山东省自然科学基金项目（编号：）。（），（）。：气压和温度对 气体绝缘性能的影响研究尹凯强，陈 功，安韵竹，刘兴华，胡元潮，于 洋（山东理工大学电气与电子工程学院，山东 淄博；长江勘测规划设计研究有限责任公司，武汉；国网山东省电力公司淄博供电公司，山东 淄博）摘 要：长时间运行的 设备内部 气体的绝缘性能受环境温度及内部气压的影响，为了分析环境温度、气压对 气体绝缘性能的影响规律，基于两项近似的 方程，求解了不同气压和温度下 气体的电子输运参数，并分析其绝缘性能的变化规律。仿真计算结果表明：温度 、气压条件下，随着气压的增大，气体的约化电离系数增大，约化吸附系数略微增大，计算得到约化有效电离系数增大，因此临界击穿场强增大，绝缘性能越好；在气压 、温度、的情况下，随着温度的增大，约化电离系数和约化吸附系数变化很小，因此临界击穿场强变化很小，对 气体的绝缘性能影响不大。本研究工作为电力系统中 气体安全稳定运行和气体放电现象研究提供参考。关键词：方程；约化有效电离系数；临界击穿场强；压强 ，（，；，；，）：，：；年第 期电 瓷 避 雷 器（总第 期）引言特高压气体绝缘组合电器设备（）是保证特高压输电网安全稳定运行的重要组件。自上世纪 年代起，气体被广泛应用于高压 设备。在高压 设备运行过程中，气体的气压、温度和湿度变化以及放电副产物成为影响高压 设备安全稳定运行的重要因素。气体放电的电子输运参数是研究绝缘性能的重要依据。在 气体放电研究中获得电子输运参数的方法，主要分为：在实验方面，稳态汤森实验（）或者脉冲汤森实验（）测量气体放电的输运参数；在数值计算方面，流体动力学混合模型、碰撞模型以及 方程的流体模型来获得电子输运参数。由于 的求解过程过于繁琐，主要应用在低气压下，因此对 气体并不适用。关于 方程的研究已经受到了大多数学者的关注，在研究输运理论方面有着重大的意义。在已知截面数据的前提下，求解 方程得到电子能量分布函数（）和气体放电的重要参数。对比其他两种数值计算的方法，运用 方程会降低时间成本，提高精度。是强电负性气体，具有良好的灭弧性能和绝缘性能，因此 气体作为绝缘介质被广泛的应用在电力 设备中。在高电压作用下，气体的放电特性参数在不同环境条件下的变化规律成为国内外学者们的热点关注问题之一。年 等人用三项玻尔兹曼方程方法研究了电子群行为，确定了一组一致的电子碰撞截面，计算结果与两项近似玻尔兹曼对比，得出的电子群参数完全有效；年，等人在上述文献的基础上对截面数据作了修改并添加了弹性动量转移截面，方程计算的电子输运参数与蒙特卡罗非常一致。通过 方程研究了 的电子输运参数以及预测了 与、混合气体的临界击穿场强、电子漂移速度等，总结出一组在较低和较高能量时，与之前不同的 截面数据，并且把电离系数等于吸附系数时的电场定义为临界有效击穿电场（）。等人通过 方程分析计算了 与、和 气体混合物的有效电离系数和电子漂移速度，证明了用两项近似的 方程计算 输运参数的有效性。李峰等人通过试验的方法分析了温度对 混合气体绝缘性能的影响规律，得出在 温度范围内，击穿场强变化较小。黎斌等人利用 断路器进行试验，研究环境温度与 湿度的关系以及对产品绝缘性能的影响，验证了温度和湿度对 断路器的耐受高电压的能力影响较小。上述文献集中于纯 气体及其混合气体绝缘性能的研究，而且气压和温度对其的影响多数是通过实验的方法，然而利用数值计算的方法分析气压和温度对 气体绝缘特性的影响规律得较少。为了分析气压和温度对 气体绝缘性能的影响规律，笔者采用两项近似的 方程在温度 条件下分别计算了 的临界击穿场强以及在气压 下分别计算了温度为 、的临界击穿场强，从而分析了气压和温度对 气体放电特性的影响规律。通过与已有文献结果的对比，验证了模型的准确性以及研究的可行性。基于 方程的 气体绝缘性能计算模型 方程的计算原理利用流体 化学对气体的流体动力学仿真时，电子输运参数是电子的连续性方程、能量方程和动量方程求解的重要条件。电子输运参数往往通过求解 方程，因此求解 方程是进行流体动力学仿真的前提。等离子体放电过程可由等离子体动力学理论解释，并且式（）所示的 方程可以表示电子能量的分布函数，即 （）（，）（）式（）中：表示电子能量分布函数；表示电子的速度矢量；表示电子的电荷量；表示电场强度矢量；表示电子空间位置；表示电子的质量；（，）表示碰撞项，是分布函数 在碰撞过程中的变化率。由于求解 方程的过程非常复杂，需要先将方程简化式（）所示成球坐标的形式，（）（）式中：表示电子速度方向与电场强度方向的夹角。两项近似求解方法假设电子速度沿电场方向呈轴对称分布，电子在电场各处发生碰撞的概率相同。在球坐标系将电子的六维相空间分布函数做勒让德多项式展开后，可得，年第 期气压和温度对 气体绝缘性能的影响研究（总第 期）（）（）（），（）式（）中：、分别表示电子能量分布函数各向同性、各向异性分量。气体放电时的电子能量分布函数是由 方程计算得到，并且能够得到电子输运参数，包括约化电离系数 、约化吸附系数 以及约化有效电离系数?（）等。当?时，约化电离系数和约化吸附系数相等，此时的约化电场强度即为临界约化击穿场强（）。约化电离系数和约化吸附系数可以分别根据式（）、（）计算得到。（）（）（）（）（）（）式（）和（）中：表示中性粒子的数密度；表示电子扩散速度；表示碰撞电离临界能量；表示吸附反应临界能量；表示电子碰撞电离截面；表示电子吸附截面；表示通过二相近似对 展开后在时间、空间上保持不变的能量分布函数；表示电子能量。电子碰撞反应求解 方程的条件是气体碰撞的截面数据，计算的准确度也与截面数据有关，因此选取准确的截面数据尤为重要。本研究选取的 截面数据均来自 数据库。利用 计算软件，计算了 气体的放电特性，通过与已有结果的对比，验证了此截面数据的准确性。电子碰撞反应见表。表 电子碰撞反应 反应编号碰撞反应反应类型 吸附反应 吸附反应 吸附反应 弹性碰撞 （）振荡激发 （）振荡激发 （）振荡激发 （）振荡激发 电离反应 气体放电特性分析与验证 气体电子能量分布函数温度在 时利用 方程计算了约化电场（）分别为 、（）的电子能量分布函数，见图。当电子能量低于 ，电子能量分布函数随着约化电场的增大而减小，这是因为是强电负性气体，能够吸附在自由行程中的电子，使大量的电子聚集在 周围，而且约化电场越小，低能电子占比越大。当电子能量高于 时，电子能量分布函数随着约化电场的增大而增大，这是因为电场强度的增大会使得电子的动能增加，因此电场强度越大，高能电子占得比例越大。上述结果与文献结论基本一致。图 的电子能量分布函数 气体中电子输运参数分析约化电离系数主要反映电子与 分子发生碰撞的概率，而约化吸附系数主要反映 分子吸附电子的能力。气体约化电离系数与约化电场的关系，见图。随着约化电场的增加，电子获得的动能越来越大，高能电子占比增大，从而使得约化电离系数呈现上升趋势，计算结果介于 和 的计算结果之间。气体约化吸附系数与约化电场的关系，见图。随着约化电场的增大，吸附电子的能力下降，计算结果与 和 的计算结果基本相同。通过与已知文献的对比，验证了此模型的准确性。图 约化电离系数与约化电场的关系 年第 期电 瓷 避 雷 器（总第 期）图 约化吸附系数与约化电场的关系 由于 是强电负性气体，具有很强的吸附性，这种性质会抑制碰撞电离，通过 和 可以计算出 的约化有效电离系数（）。气体约化有效电离系数与约化电场的关系，见图。随着约化电场的增加，气体的 增大而 减小，所以（）也随之增大，计算结果与和 的计算结果基本相同。图 约化有效电离系数与约化电场的关系 （）气压对 气体绝缘性能的影响电力设备中 气体工作在高气压。在温度 时分别计算了气压为 时气体的约化电离系数和约化吸附系数与电场强度的关系，见图、图。随着电场强度的增加，约化电离系数也随之增加，而吸附系数变化不明显，因此气压主要影响 气体的约化电离系数。在温度一定的条件下随着气体压强的增大，单位体积内的气体分子数目也随之增大，从而可以计算出不同压强下的临界击穿场强。不同气压下单位体积内气体分子数目可用理想气体状态方程计算，见式（）。（）在温度为 的条件下，分别计算了 时的约化电离系数和约化吸附系数，通过 和 计算得到（）。下约化有效电离系数与电场强度的关系曲线，见图。计算结果与文献结果基本一致。表 为本研究计算结果与文献的对比结果，最大误差不超过 。验证了通过此模型来计算不同压强下 气体的临界击穿场强的正确性。由于气体在气体绝缘全封闭组合电器（）设备中应用的气压值一般在 ，所以利用此模型计算了 时的约化电离系数和约化吸附系数。图 为 下的约化有效电离系数与电场强度的关系。图 在 时 约化电离系数与电场强度的关系 图 在 时约化吸附系数与电场强度的关系 图 在 时约化有效电离系数与电场强度的关系 （）当（）时，交点横坐标值对应的电场强度定义为临界击穿电场，随着压强的增大，临界击穿场强也随之增大，绝缘性能越来越好。这是因 年第 期气压和温度对 气体绝缘性能的影响研究（总第 期）为气压升高可以减小电子的自由行程长度，电子的碰撞次数减少，从而能够抑制碰撞电离。表 （）时对应的临界击穿场强 （）临界击穿场强（）本研究计算结果文献中结果误差 图 在 下约化有效电离系数与电场强度的关系 （）温度对 气体绝缘性能的影响由于我国地域辽阔、地势复杂，特高压 设备也常常处于低温或者高温的情况下，绝缘性能也受到了考验。因此分析温度 气体绝缘性能的影响规律是非常重要的。根据我国气候的实际情况，计算了温度在、和 时 气体的电离系数和附着系数，见图、图。随着温度的升高，约化电离系数和约化吸附系数基本无变化。通过 和 计算得到（），约化有效电离系数与电场强度的关系，见图。随着温度的增加，临界击穿场强略微变化。因此温度对 气体放电特性的影响非常小，可以近似忽略。图 不同温度下 约电离系数与电场强度的关系 ，图 不同温度下 约化吸附系数与电场强度的关系 ，图 不同温度下 约化有效电离系数与电场强度的关系 （）结论采用 计算软件来求解两项近似的 方程，选取准确的截面数据，求解出了气体的电子能量分布函数和输运参数，与已知文献的研究结果对比验证了模型的准确性。）下 、下的临界击穿场强与已知实验数据基本一致，误差在 以内。根据 气体工作时的实际情况，在此模型的基础上分析了压强在 时的有效电离系数与电场强度的关系规律。随着压强的增大，临界击穿场强也随之增加，绝缘性能越好。）下温度在 、和 时的临界击穿场强有微小差异。随着温度的增加，临界击穿场强略微减小。由于温度对 气体放电特性的影响非常小，可以忽略。参考文献：，（）：，：，（）：年第 期电 瓷 避 雷 器（总第 期），：，（）：李鑫涛 和 放电机理及断路器介质恢复特性研究 沈阳：沈阳工业大学，李辉，李鑫涛，徐建源，等 均匀电场下 流注放电数值模拟 高压电器，（）：，（）：刘兴华，何为，杨帆，等 空气放电中电子输运参数的计算与分析 高电压技术，（）：，（）：张洲铭 与缓冲气体协同效应的探究 上海：上海交通大学，：，（）：，（）：，（）：，（）：李峰，张潇，张周胜 温度变化对 混合气体放电特性的影响 高电压技术，（）：，（）：黎斌，沈栋良，杨洁 的温度与湿度及其对产品绝缘性能的影响 高压电器，：（）：，（）：成毅 替代气体放电参数及绝缘协同效应研究 北京：华北电力大学（北京），林启明 空气混合气体绝缘性能的研究 上海：上海交通大学，（）：，（）：，：，（）：，（）：，（）：?，（）：徐玲铃，程林，杜玮杰，等 三元混合气体绝缘特性的 分析 高电压技术，（）：，（）：李璐维，林莘，徐建源，等 和 混合气体放电参数计算分析 高压电器，（）：，（）：，年第 期气压和温度对 气体绝缘性能的影响研究（总第 期）：，（）：蔡新景，王新新，邹晓兵，等 吸附对电子输运特性的影响 中国电机工程学报，（）：，（）：，（）：，（）：杜新宇，陈小月，李威，等 基于 方程的不同海拔条件下大气绝缘性能研究 水电能源科学，（）：，（）：成毅，王璁，周福文，等 气压下、及其二元三元混合气体的击穿特性 高电压技术，（）：，（）：作者简介：尹凯强（），男，硕士，主要研究方向为高电压试验技术、气体介质放电。：。安韵竹（），女，博士，讲师，主要研究方向为电力系统过电压及其防护、气体介质放电等领域（通信作者）。：。（上接第 页）交流输电线路对埋地金属管道的电磁影响研究 北京：华北电力大学（北京），齐磊，原辉，崔翔 埋地金属管与架空电力线路并行时管道饱和平行长度及最大金属电位计算 高电压技术，（）：，（）：齐磊，白淑华，原辉，等 架空与埋地线缆系统大地返回阻抗和导纳计算方法 中国电机工程学报，（）：，（）：王栋杰 超高压输电线路与金属管道安全间距的研究 能源与环境，（）：，（）：阮亦根，李自力 超高压交流输电线路与油气管道安全间距研究 浙江电力，（）：，（）：作者简介：郭 磊（），男，硕士，主要研究方向为防雷与接地技术。：。